1. Skip to Menu
  2. Skip to Content
  3. Skip to Footer>
Форма и содержание
Физика маховичных двигателей
31.01.2014 18:06
Обычно говорят «содержание и форма», потому что в диалектике содержание определяет форму. В маховиках же наоборот (это, конечно, игра слов) форма определяет содержание: форма вращающегося маховика определяет, при прочих равных условиях, содержание в нем большего или меньшего запаса кинетической энергии. Одним словом, форма маховика и плотность энергии в нем зависят одно от другого. Если имеется конкретный материал, из которого надлежит его изготовить, то следует выбрать такую его форму, которая отвечала бы максимальной плотности энергии с учетом, конечно, ограничивающих условий, в основном, допустимой окружной скорости.

Рассмотрим основные формы маховиков (в поперечном сечении) в аспекте возрастания плотности энергии. Это же будет некоторым образом соответствовать и хронологическому аспекту, так как плотность энергии сама со временем только возрастает.



Как уже говорилось, первый из известных маховиков на Земле — гончарный круг из Урского могильника был выполнен в виде диска с центральным небольшим отверстием (рис. 14, а). Эта форма наиболее невыгодная среди дискообразных маховиков. Изделия такой формы накапливают наименьшую кинетическую энергию в килограмме массы, разумеется, при одной и той же прочности материала. В технике сегодняшнего дня еще встречаются маховики такой «архаической» формы там, где основным преимуществом, считается простота изготовления. Действительно, проще ничего не придумаешь: взял диск, просверлил отверстие, насадил на вал и — готоо. Однако материал (металл) здесь расходуется очень нерационально.

диск с отверстием

Сделав форму маховика более совершенной, можно из материала для одного изделия, изготовить целых три с тем же запасом энергии каждый.

По мере развития техники, конструкторы стали отодвигать всю массу на периферию, т. е. увеличивать отверстие в центре, приближая его диаметр к наружному диаметру маховика. Им, на первый взгляд, не откажешь в логике: относя почти всю массу на периферию, удаляя ее от центра, мы увеличиваем момент инерции, делая его максимально возможным. А это, в свою очередь, при одной и той же угловой скорости, если вспомнить формулу T=0.5JW^2, обеспечивает максимальную кинетическую энергию. Так была получена более рациональная форма маховика — тонкий обод со спицами (рис. 14, б). Долгое время, почти до начала нашего века такая форма маховика считалась пределом совершенства. Было только одно досадное обстоятельство—спицы ослабляли конструкцию. Почему это происходило? При вращении обод, будучи упругим телом, расширялся под действием центробежных сил. Спицы же, располагаясь ближе к центру, удлинялись не настолько, чтобы «поспевать» за ободом, и в результате начинали неравномерно «стягивать» его (примерную картину деформации маховика со спицами см. на рис. 15, а). 

неравномерный изгиб обода при растяжении спиц  изогнутые спицы при растяжении обода слегка выпрямляются, не оказывая существенного влияния на изгиб обода
Рис. 15. Утрированная схема деформированного при вращении обода со спицами:
а—неравномерный изгиб обода при растяжении спиц; 
б—изогнутые спицы при растяжении обода слегка выпрямляются, не оказывая существенного влияния на изгиб обода

Спицы также подвергались растягивающему действию обода и могли лопнуть. Однако выход был найден: спицам придали изогнутый вид (см. рис. 15, б), жесткость их была во много раз снижена, и спицы стали «следовать» за расширяющимся ободом, не нагружаясь сами и не нагружая собою обода. 

обод со спицами

Таким образом, обод «работал» почти как «чистое» кольцо, ничем не связанное с центром. Это понятие «чистого» кольца или обода, работающего независимо от центра, играет существенную роль для маховиков и еще пригодится нам в дальнейшем.

Итак, мы как-будто достигли совершенства — отодвинули всю массу маховика на периферию, максимально увеличили момент инерции, избавили обод от вредного действия спиц. А что, если это «вредное» действие не так уж вредно? Ведь спицы изгибают обод неравномерно только потому, что они прикрепляются к нему в нескольких точках. Если же спиц сделать очень много, то их изгибное действие практически исчезнет, и они будут лишь «поддерживать» обод, частично разгружая его от напряжений, вызванных центробежными силами. В пределе увеличение числа спиц привело к замене их диском и возникновению маховика новой формы — обода с диском (см. рис. 14, в).
обод с диском

Поначалу, конечно, были споры — диск, хотя и «поддерживает» обод, но весит больше, чем спицы. Что выгоднее — увеличивать прочность обода, но и вес маховика, или иметь меньшую прочность, но и меньший вес.

Попробовали — отлили маховики из одного и того же материала, взвесили, раскрутили до разрыва в специальной бронированной камере и, измерив количество накопленной энергии в момент разрыва, поделили его на массу маховика. Полученная величина плотности энергии однозначно подтвердила преимущества обода с диском. Варианты такого типа надолго завоевали первенство и применялись в конце прошлого — начале нашего века для накопления весьма больших энергий (например, в боевых торпедах).